CN112702741A - 联合人工噪声和功率分配的noma安全传输方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种联合人工噪声和功率分配的无线供电非正交多址(NOMA)安全传输方法及***，对于存在窃听者的NOMA***，在能量采集阶段，信源利用能量采集技术，从能量塔处获取能量；在信息传输阶段，信源向两个用户发送叠加编码信号。在信息传输阶段，本发明采用动态功率分配的方法保证可靠需求用户能成功解码，安全需求用户能成功进行串行干扰消除，同时能量塔发送人工噪声，恶化窃听者的接收质量，从而保证信源和安全需求用户之间的安全传输。本发明相较于传统的无线供电NOMA***传输方法，显著地提高了***的可靠性和安全性。

Description

联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法及***

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法及***。

背景技术

为提高未来无线网络的频谱效率和能量效率，非正交多址(Non-OrthogonalMultiple Access，NOMA)技术和无线电力传输已经吸引了业界的广泛关注。NOMA技术被认为是5G和后5G时代十分具有应用前景的多址接入方式。其中，功率域NOMA技术由于较低的实现复杂度和高兼容性特点，受到了广泛的关注。功率域NOMA(以下简称NOMA)的基本思想是在发送端利用叠加编码给不同用户信号分配不同大小的功率，同时在接收端采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术消除用户间干扰并检测出多用户信息。文献“Wireless-powered communications with NOMA”研究了无线供电的上行链路NOMA***，其中能量受限的用户从基站获取无线射频(RF)能量，然后使用获取的能量执行上行链路NOMA传输。

另一方面，物理层安全(Physical Layer Security)利用无线信道的固有特性(例如，衰落、噪声和干扰)来保证窃听者在物理层上不能窃取合法信息，是对上层加密技术的补充甚至替代。在存在恶意窃听者的情况下，没有复杂加密算法的物理层安全能够提高无线供电NOMA***的安全性。现有的发明往往聚焦于保证无线供电NOMA***的可靠性，而在存在窃听者的情况下，为保护机密信息不被窃取，提高无线供电NOMA***的安全性显得尤为重要。因此，实现无线供电NOMA***的可靠安全传输迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法及***，用以解决现有技术中的NOMA***的安全性不足的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法，用于对信源到用户对的信号进行功率分配，所述用户对包括第一用户和第二用户，还用于向窃听者发射人工噪声防止窃听，实现信源到每个用户间的NOMA可靠安全传输，包括如下步骤：

步骤1：信源采集能量塔发出的能量；

步骤2：信源利用步骤1采集到的能量通过非正交多址方式向用户对发送叠加编码信号s：

其中，s₁代表发送给第一用户的信号，s₂代表发送给第二用户的信号，α₁和α₂分别代表第一用户和第二用户的功率分配因子，α₁+α₂＝1且α₁<α₂，P_t代表信源发射功率，h_bs代表能量塔到信源的信道系数；

所述的第一用户的功率分配因子α₁如式Ⅱ所示：

其中

R₂代表第二用户的信号编码速率，θ代表能量采集阶段和信息传输阶段的时间比，[Φ]⁺表示取0和Φ值中的最大值，h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，

N₀代表高斯白噪声的方差；

步骤3：第一用户接收叠加编码信号s后，利用串行干扰消除技术消除用户间干扰后解码，第二用户接收叠加编码信号s后直接解码，同时，能量塔向窃听者发射人工噪声。

进一步的，所述人工噪声s′＝Wv，其中W为能量塔到第一用户和第二用户的信道系数的零空间的正交基矩阵，v是人工噪声矩阵。

一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输***，包括能量塔、信源、用户对和窃听者，所述用户对包括第一用户和第二用户，所述能量塔用于在能量采集阶段发出能量，所述信源用于在信息传输阶段从能量塔处获取能量，所述能量塔还用于在信息传输阶段通过发送人工噪声信号来干扰窃听者，所述信源在信息传输阶段还用于通过功率分配向第一用户和第二用户发送叠加编码信号s，所述叠加编码信号s如式Ⅰ所示：

其中，s₁代表发送给第一用户的信号，s₂代表发送给第二用户的信号，α₁和α₂分别代表第一用户和第二用户的功率分配因子，α₁+α₂＝1且α₁<α₂，P_t代表信源发射功率，h_bs代表能量塔到信源的信道系数；

所述的第一用户的功率分配因子α₁如式Ⅱ所示：

其中

R₂代表第二用户的信号编码速率，θ代表能量采集阶段和信息传输阶段的时间比，[Φ]⁺表示取0和Φ值中的最大值，h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，

N₀代表高斯白噪声的方差。

进一步的，所述能量塔在信息传输阶段采用迫零法发送人工噪声信号s′，所述人工噪声s′＝Wv，其中W为能量塔到第一用户和第二用户的信道系数的零空间的正交基矩阵，v是人工噪声矩阵。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)保证了传输的可靠性

采用动态功率分配的方法，保证安全需求用户能成功进行串行干扰消除，可靠需求用户能成功解码，从而保证了***的可靠性。

(2)提升了传输的安全性。

在信息传输阶段，能量塔向窃听者发送人工噪声，从而恶化窃听者的信道窃听质量，保证信源向安全需求用户发送的信号能实现安全传输。理论分析和仿真结果表明，本发明所提出的联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法提高了***的安全性。

下面通过附图和实施实例，对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是本发明所提出的联合人工噪声和功率分配的无线供电NOMA***可靠安全传输方法的模型图；

图2是在瑞利信道条件下，本发明所提出的可靠安全传输方法与四种基准方法关于有效保密吞吐量的比较图。

具体实施方式

在本实施例中公开了一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法，用于对信源到用户对的信号进行功率分配，所述用户对包括第一用户和第二用户，在本实施方式中，第一用户指的是安全需求用户，第二用户指的是可靠需求用户，实现信源到每个用户间的NOMA安全传输，包括如下步骤：

步骤1：信源采集能量塔发出的能量；

步骤2：信源利用步骤1采集到的能量通过非正交多址方式向用户对发送叠加编码信号s：

其中，s₁代表发送给第一用户的信号，s₂代表发送给第二用户的信号，α₁和α₂分别代表第一用户和第二用户的功率分配因子，α₁+α₂＝1且α₁<α₂，P_t代表信源传输功率

h_bs代表能量塔到信源的信道系数；

所述的第一用户的功率分配因子α₁如式Ⅱ所示：

其中

[Φ]⁺＝max{0,Φ}，在本实施例中Φ为

h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，

N₀代表高斯白噪声的方差；

步骤3：第一用户接收叠加编码信号s后，利用串行干扰消除技术消除用户间干扰后解码，第二用户接收叠加编码信号s后直接解码，同时，能量塔向窃听者发射人工噪声。

具体的，所述人工噪声信号s′＝Wv，其中W为能量塔到第一用户和第二用户的信道系数的零空间的正交基矩阵，v是人工噪声矩阵。

一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输***，包括能量塔、信源、用户对和窃听者，所述用户对包括第一用户和第二用户，所述能量塔用于在能量采集阶段发出能量，所述信源用于在信息传输阶段从能量塔处获取能量，所述能量塔还用于在信息传输阶段通过发送人工噪声信号来干扰窃听者，所述信源在信息传输阶段还用于通过功率分配后向第一用户和第二用户广播叠加信号s，所述叠加信号s如式Ⅰ所示：

其中，s₁代表发送给第一用户的信号，s₂代表发送给第二用户的信号，α₁和α₂分别代表第一用户和第二用户的功率分配因子，α₁+α₂＝1且α₁<α₂，P_t信源传输功率，h_bs代表能量塔到信源的信道系数；

所述的第一用户的功率分配因子α₁如式Ⅱ所示：

其中

[Φ]⁺＝max{0,Φ}，在本实施例中Φ为

h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，

N₀代表高斯白噪声的方差。

具体的，所述能量塔在信息传输阶段采用迫零法发送人工噪声信号s′，所述人工噪声信号s′＝Wv，其中W为能量塔到第一用户和第二用户的信道系数的零空间的正交基矩阵，v是人工噪声矩阵。

具体的，W是一个N×(N-2)矩阵，v是一个(N-2)×1的人工噪声矩阵，该矩阵内的所有元素都是独立同分布的均值为0，方差为

的高斯随机变量。

实施例1

参照图1，本实施例中公开了一种无线供电NOMA***，包括一个能量塔PB、信源S、安全需求用户U1、可靠需求用户U2、M个窃听者Em(m∈{1,...,M})，其中PB配有N个天线，其余节点均配有单天线，所有节点的工作模式均为半双工；Em试图窃听U1的信号。

下面将通信过程分为能量采集和信息传输两个时间段并分别对各时间段内***的工作过程加以描述：

能量采集阶段

1)PB在θT时间内(θ代表能量采集和信息传输的时间比)采用最大比例传输(MRT)方法向S发送无线射频信号，S采集的能量可以表示为：

E＝ηθTP₀||h_bsw||²＝ηθTP₀||h_bs||²

其中

是一个N×1的波束形成矩阵，(·)^H代表共轭转置运算，P_o代表PB在能量采集阶段的传输功率，η代表能量转换效率，h_bs代表PB到S的信道系数。

信息传输阶段

2)S在(1-θ)T时间内利用采集到的能量通过叠加编码广播U1和U2的叠加信号s。

3)U1和U2接收叠加编码信号s，U1利用串行干扰消除技术消除U2的干扰，接着解码自己的信息，U2直接解码自己的信息，U1和U2上解码s₂的信噪比分别表示为：

其中

h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，N₀代表接收者处加性高斯白噪声的方差。

U1解码s₁的信噪比表示为：

为了保证U1能够成功进行串行干扰消除，U2能成功解码，U1、U2上解码s₂的信噪比

需要满足

其中R₂代表s₂的编码速率。

根据上面的分析，可以得出在本发明提出的传输方法下，U1的连接中断概率表示为：

P_cop＝Pr((1-θ)log₂(1+γ_1,s1)<R₁)

＝Pr(α₁ρ_t||h_bs||²|h_s1|²<ε1)

其中

R₁代表s₁的编码速率。

假设Em之间没有合作，最有害的窃听者的信噪比被选为整体信噪比，U1的保密中断概率表示为：

其中

R_s代表s₁的目标保密率，R₁-R_s代表U1上对抗窃听的冗余速率。

保密中断概率在窃听者处信息截获的角度描述了保密性能，采用有效保密吞吐量来进一步描述***的保密性和可靠性，U1的有效保密吞吐量表示为

本发明的效果可通过下面仿真进一步说明：

设***中各信道的平均增益表示为

其中d_xy代表节点x和节点y之间的距离，路径损耗指数ι设置为2.7；考虑一个恶劣条件，即窃听者比用户更靠近源，设置d_bs＝d_s1＝d_be＝20m,d_s2＝30m，d_se＝5m；能量转换效率为η＝0.8；各节点加性高斯白噪声方差设置为N₀＝-68dBm；s₁、s₂的编码速率分别设置为R₁＝1.5、R₂＝1；s₁的目标保密率设置为R_s＝1.2；基站的天线数量设置为N＝4；窃听者的数量设置为M＝2；P₀设置为20dBm。仿真得到了无线供电NOMA***在瑞利信道条件下，使用基准方案和使用本发明所提出传输方法的有效保密吞吐量随着PB在能量采集阶段发送的功率P_a的变化曲线，其中基准方案包括如下四种：只使用动态功率分配没有人工噪声的方案-I、只使用人工噪声而采用传统的固定功率分配的方案-II(α₁＝0.25，α₂＝0.6)、只使用人工噪声而采用传统的固定功率分配的方案-III(α₁＝0.4，α₂＝0.75)、使用人工噪声而采用传统正交多址的方案-IV。

从图2可以看出，即使在比较恶劣的条件下(Em比U1和U2更靠近源)，本发明所提出的联合人工噪声和功率分配的无线供电非正交多址***可靠安全传输方法仍然能够实现非零的有效保密吞吐量，相比四种基准方法，本发明所提出的方法提高了***的可靠性和安全性。

Claims (4)

1.一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法，用于对信源到用户对的信号进行功率分配，所述用户对包括第一用户和第二用户，还用于向窃听者发射人工噪声防止窃听，实现信源到每个用户间的NOMA可靠安全传输，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：信源采集能量塔发出的能量；

步骤2：信源利用步骤1采集到的能量通过非正交多址方式向用户对发送叠加编码信号s：

其中，s₁代表发送给第一用户的信号，s₂代表发送给第二用户的信号，α₁和α₂分别代表第一用户和第二用户的功率分配因子，α₁+α₂＝1且α₁<α₂，P_t代表信源发射功率，h_bs代表能量塔到信源的信道系数；

所述的第一用户的功率分配因子α₁如式Ⅱ所示：

其中

R₂代表第二用户的信号编码速率，θ代表能量采集阶段和信息传输阶段的时间比，[Φ]⁺表示取0和Φ值中的最大值，h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，

N₀代表高斯白噪声的方差；

步骤3：第一用户接收叠加编码信号s后，利用串行干扰消除技术消除用户间干扰后解码，第二用户接收叠加编码信号s后直接解码，同时，能量塔向窃听者发射人工噪声。

2.如权利要求1所述的联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输方法，其特征在于，所述人工噪声s′＝Wv，其中W为能量塔到第一用户和第二用户的信道系数的零空间的正交基矩阵，v是人工噪声矩阵。

3.一种联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输***，包括能量塔、信源、用户对和窃听者，所述用户对包括第一用户和第二用户，所述能量塔用于在能量采集阶段发出能量，所述信源用于在信息传输阶段从能量塔处获取能量，其特征在于，所述能量塔还用于在信息传输阶段通过发送人工噪声信号来干扰窃听者，所述信源在信息传输阶段还用于通过功率分配向第一用户和第二用户发送叠加编码信号s，所述叠加编码信号s如式Ⅰ所示：

其中，s₁代表发送给第一用户的信号，s₂代表发送给第二用户的信号，α₁和α₂分别代表第一用户和第二用户的功率分配因子，α₁+α₂＝1且α₁<α₂，P_t代表信源发射功率，h_bs代表能量塔到信源的信道系数；

所述的第一用户的功率分配因子α₁如式Ⅱ所示：

其中

R₂代表第二用户的信号编码速率，θ代表能量采集阶段和信息传输阶段的时间比，[Φ]⁺表示取0和Φ值中的最大值，h_s1代表信源到第一用户的信道系数，h_s2代表信源到第二用户的信道系数，

N₀代表高斯白噪声的方差。

4.如权利要求3所述的联合人工噪声和功率分配的NOMA安全传输***，其特征在于，所述能量塔在信息传输阶段采用迫零法发送人工噪声信号s′，所述人工噪声s′＝Wv，其中W为能量塔到第一用户和第二用户的信道系数的零空间的正交基矩阵，v是人工噪声矩阵。

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